凭借优越的力学性能，以及耐腐蚀、抗氧化、不生锈等特性，如今碳纤维被加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，成为制造先进复合材料的重要增强材料，应用范围日益广泛，成为不少人口中的“新材料之王”。
从棒球棒、网球拍，到自行车、汽车、风电叶片，再到大型飞机、运载火箭……在位于青海西宁的中复神鹰碳纤维生产基地展厅内，一件件实物、模型展品令人目不暇接，彰显了这种新材料的应用正向高端工业制造和尖端科技领域不断拓展。
作为碳纤维重要市场，我国碳纤维一度大量依赖进口，价格十分昂贵。因此，碳纤维又被称为“黑色黄金”。彼时，市场上高性能T700级碳纤维曾经卖出过每吨数百万元的高价。而后来，当国产高性能碳纤维“开花结果”，国际市场碳纤维价格应声回落。
国内碳纤维发展两大“潜力股”领域
01风电叶片 碳纤维叶片应用已成趋势
近年来，国内风电装机量快速增长，国家能源局最新数据显示，今年前7个月，国内风电新增装机量达2631万千瓦，累计装机量达3.9亿 千瓦。而随着平价时代到来，风机大型化趋势尤为凸显，陆上风机单机容量最高突破10兆瓦，海上风机单机容量突破18兆瓦，叶片长度也在不断刷新行业纪录。
快速大型化给风机叶片材料性能带来全新考验，传统玻璃纤维复合材料性能不足的情况下，碳纤维成为最新的“潜力股”。
黄轩指出，与玻璃纤维相比，碳纤维的比模量和比强度均大幅增加，碳纤维复合材料比玻璃纤维复合材料密度更低、强度更高，突破了玻璃纤维材料的性能极限，可保障风机叶片在增加长度的同时降低重量。“利用碳纤维叶片可进一步提升海上风电机组设计上限，甚至可支撑20兆瓦、300米叶轮直径的机组开发。”
除了为海上风电机组大型化提供保障，业界普遍认为，随着我国海上风电开发范围不断扩大，深远海等复杂工况区域对叶片提出了更高要求，碳纤维材料的高强度性能将能适应更加恶劣的工况环境。另外，轻量化叶片还可以降低吊装和运输的难度，对海上风电全生命周期降本有所帮助。
据吉林化纤集团党委书记、董事长宋德武介绍，2022年，全球风机叶片对碳纤维的需求量占到全球碳纤维需求总量的25.7%，我国风机叶片碳纤维需求量也占碳纤维整体需求的23.5%。
在宋德武看来，与航空航天、军工科技等领域相比，风机叶片所需的碳纤维产品标准有所不同，技术成本相对更低，生产过程中，可根据不同性能、工艺和成本，设计不同应用性能和生产工艺参数，相对快速实现碳纤维量产。
在此情况下，近两年来我国碳纤维产业高速增长。数据显示，2022年，国产碳纤维产能达到11.2万吨，供应量首次超过进口量。
金风科技股份有限公司叶片结构主设兼叶片产品经理袁渊指出，近年来，国内碳纤维计划产能增长十分可观，碳纤维叶片的研发应用规模同样快速增长。
“早在2017年，国际市场上已有整机制造商开启了碳纤维叶片的应用，LM、西门子歌美飒、维斯塔斯等跨国企业也都有百米级碳纤维叶片产出。随着国内海上风电市场的蓬勃发展，2022年，国内海上大叶片发展实现了全面赶超。目前，国内市场上已有大量海上风机叶片采用碳纤维设计，国内主流整机和叶片厂商也都规划了下一代海上大兆瓦机组，更大的海上风机碳纤维叶片也都在开发之中。”
据了解，目前，明阳智能、上海电气、东方电气、金风科技等国内主流整机商都已开启碳纤维叶片的试验及生产应用。有数据显示，2022年以来，国内新开发、新批量生产的海上风电机组中，超过70%都应用了碳纤维叶片，即使在陆上风电机组中，部分企业也已经开始小批量实测应用碳纤维叶片。
此前，碳纤维由于成本高，多用于风电、航空航天、军工、跑车等特定领域。如今，随着技术进步，碳纤维不仅功能和强度都有所提升，成本也有一定的下降。
北京化工大学教授徐樑华表示，近年来，我国碳纤维行业的发展形势非常好，目前已形成黏胶基、沥青基、聚丙烯腈基3种类别的制备体系；以二甲基亚砜法为主，二甲基乙酰胺法和硫氰酸钠法共同参与的原丝制备技术体系；湿法纺丝、干湿法纺丝、小丝束与大丝束工艺齐头并进的工艺体系；高强、高强中模、高模、高强高模齐全的产品体系。
随着碳纤维复合材料性能的不断提高以及“双碳”政策的加持，越来越多的汽车制造商也将目光投向于此。
中国一汽研发总院高端汽车集成与控制全国重点实验室副主任叶福恒认为，轻量化是汽车节能减排的重要途径之一。碳纤维复合材料所具备的优点，适用于汽车外观件、车身结构、底盘结构件等多个场景，是汽车深度轻量化的理想材料。
“合适的材料要用在合适的位置。”叶福恒表示，多材料混合用材方向将助推碳纤维复合材料在汽车行业的产业化、规模化应用。在预期成本不断下探，产业链不断完备的全新市场中，碳纤维用材占比及用量有望呈现上升趋势。目前，碳纤维复合材料已应用到宝马7系、宝马iX、奥迪A8、蔚来ES6、雪佛兰等车型。
对于如何实现碳纤维复合材料规模化应用，叶福恒表示，这将始于全产业链联动的颠覆式开发创新，并需要全产业协同并解决共性技术问题，进一步构建低成本开发路径。同时，还需要围绕新能源汽车转型升级，通过集成化和功能化开发，实现低成本和高价值的双协同，打造不止于“轻”的高价值场景。
叶福恒还谈道，先进的量产制造技术将有助于碳纤维复合材料的规模化应用。混合使用连续和非连续纤维可进一步拓展碳纤维复合材料的应用范围，实现异形实体部件的复材化。此外，数据表明，回收后的碳纤维仍有很好的力学性能和利用价值，不仅能用于要求相对较低的应用场景，还可减少能源消耗，这将进一步完善产业链。
此外，北京科泰克科技有限责任公司技术总监赵亮还提到，车载储氢气瓶也是碳纤维复合材料值得探究的新应用场景。
文章来源：中国化工报，城关发布，中国能源报